Kathoden-Basis Triodenschaltung - Beschreibung der typischen

Kathoden-Basis Triodenschaltung - Beschreibung der typischen Grundelemente
Rgs
Gitter Schwingschutzwiderstand grid stopper
Anoden-Lastwiderstand
Röhrenkonstanten
anode load resistor
Ra
Koppel-Kondensator
Ck
Coupling capacitor
Zweck:
Zweck:
Zweck:
Der Gridstopper erzeugt zusammen mit der Eingangskapazität der Röhre (Cin, steht im
Datenblatt der Röhre) einen Low-Pass-Filter, u.a. zur Eliminierung von RadioFrequenzen.
Außerdem trägt der Gridstoper dazu bei, Blocking Distortion (Übersteuerung an Folgestufe) zu
vermeiden.
Bildet mit der Röhre einen Spannungsteiler und definiert dadurch den Stromdurchfluss (Ia) und
Anodenspannung (Va) an der Anode bei einer gegebenen negativen Vorspannung des
Steuergitters (Vg), siehe auch Rk.
Bei jeder Stufe kommt auch immer ein Gleichstromanteil mit in das Signal (durch die an der
Anode anliegende Versorgungsspannung HT+) und vermischt sich mit dem EingangsWechselspannungssignal.
Ck filtert die Gleichspannungsanteile raus (d.h. verschiebt bildlich den Scheitelpunkt der
Sinuswelle des Nutzsignals wieder zurück auf den Nullpunkt (0 Volt).
Außerdem erzeugt der Ck ab einer entsprechend großer Kapazität einen einen Low-Cut-Filter
(Hi-Pass) mit dem Gitterableitwiderstand der nachfolgenden Röhrenstufe.
Dimensionierung:
Wichtig: Der Gridstopper sollte immer nach dem Gridleak (Rg, siehe Grafik oben) eingebaut
werden, da er ansonsten einen Spannungsteiler mit diesem bildet und dann ein Teil des
Eingangssignals verloren geht (Signal-Rausch-Abstand wird verschlechtert.
Je nach gewünschter Verstärkung (μ) bzw. gewünschtem Stromdurchfluss (gm), siehe unten
bzw. Diagramm / Erklärung Röhrenkonstanten.
Spannungsfestigkeit nach folgender Formel wählen: (Ra * Ia2) * 2, z.B. (100 * 12) * 2 =200mW,
Den Gridstopper immer so nah wie möglich an das Gitter der Röhre löten (am besten direkt an
den Sockel) und das Kabel zur Eingangsbuchse so kurz wie möglich halten (am besten
geschirmtes Kabel verwenden und Schirm auf Masse hängen).
Dimensionierung:
dies entspräche gerade noch einem 1/4 W Widerstand, in diesem Fall dann besser aufrunden
und 1 W verwenden.
Grenzwerte
Pa max. (im Datenblatt der Röhre angegeben) darf nicht überschritten werden, d.h. Ra muss so
gewählt werden, dass die resultierenden Werte für Ia und Va nicht zu einer Überschreitung von
Pa max (= Ia * Va) führen.
Meistens werden 68kOhm gewählt, aber 10 kOhm - 33kOhm reichen auch.
Niedriger Wert
Technisch
Berechnung: C = 1 / (2 * μ * f * R')
f = Frequenz oberhalb der alles rausgefiltert werden soll (HiCut-Frequenz)
Cin = Eingangskapazität der Röhre, steht im Datenblatt, bei 12AX7 ca. 100pF
Höhere Verstärkung (mehr Va) aber weniger
Stromfluss.
Weniger Verstärkung aber mehr Stromdurchfluss (Röhre wird schneller heiß, mehr
Verschleiß).
umgestellt auf Frequenz
Klanglich
Klanglich
µ = Verstärkungsfaktor der Röhre (siehe Formelsammlung rechts)
f=Roll-Off Frequenz, bis zu der abgesenkt werden soll
R'= Rg (=Gitterwiderstand der Folgestufe) + Zout (=Ausgangsimpedanz, siehe rechter Kasten)
(Berechnung: Siehe Tabelle "Koppeln von zwei Stufen)
Mehr (lineare) Verzerrung
brilliantere, schärfere Verzerrung (weil
Gitterstrom beim erreichen der entsprechenden Vg-Grenze schneller/plötzlicher eintritt),
kann bei zu hohem Wert schrill werden.
Weniger Verzerrung, mehr nicht-lineare
Verzerrung (wärmer)
Hoher Wert
Niedriger Wert
weniger Höhen werden rausgefiltert.
C
50
100
150
Gitter-Ableitwiderstand
200
250
100
150
200
250
300
Va
350
ra = Innenwiderstand der Röhre = Widerstand, den die Röhre gegenüber AC darstellt.
µ = Verstärkungsfaktor der Röhre = Fähigkeit, durch eine kleine Änderung einer Spannung
(Gitterspannung Vg) eine große Änderung der Anondespannung (Va) zu erzeugen.
1.
Max.-Grenzen einzeichnen in Anoden-Charakteristik-Diagramm (z.B. Pa, Va, Ug,
Grenze ab der Gitterstrom beginnt). Je nach Röhrentyp sind manche Grenzwerte
evtl. nicht angegeben. Siehe rote Linien oben im Diagramm.
2.
Versorgungsspannung (HT+, siehe oben) festlegen (Max. Va aus Datenblatt
darf nicht überschritten werden!)
3.
Anodenwiderstand Ra festlegen (Hinweise aus Kasten zu Ra links beachten)
z.B. 100kOhm.
4.
LoadLine einzeichnen von Punkt A (=HT+/Ra) nach Punkt B (=HT+), siehe oben.
5.
Arbeitspunkt der Röhre festlegen, d.h. Schnittpunkt zwischen der
eingezeichneten LoadLine und einer beliebigen Vg-Kurve wählen (z.B. C, siehe oben).
Für eine möglichst lineare Verstärkung (ohne Verzerrung) Arbeitspunkt wählen,
- von dem aus die nächstgelegene Vg Kurve in beide Richtungen einen
möglichst gleichen Abstand hat.
- der möglichst weit weg von Gitterstrom-Grenze (“linke“ Richtung, je nach Röhrentyp
unterschiedlich jedoch „spätestens“ ab 0 V) und Cut-Off (“rechte“ Richtung, je nach
Röhrentyp unterschiedlich, grundsätzlich bei sehr negativen Werten, bei denen Ia auf
der Vg-Kurve des gewählten Arbeitspunktes nahezu 0 wird).
grid leak resistor
Rgl
6.
Optional: Für den gewählten Arbeitspunkt die maximal mögliche unverzerrte
Verstärkung ausrechnen. Hierfür im Diagramm die Anondenspannung (Va) vom
Arbeitspunkt bis zur ersten nächstgelegenen Grenze, ab der es zu Verzerrung kommt
ablesen (z.B. links die GridCurrent-Grenze meist bei 0 V) und diese mal 2 nehmen (da
die Sinuswelle des Eingangssignals ja in die jeweils andere Richtung den gleichen
Ausschlag hat.
F
F
10n
F
22n
nF
47n
nF
100
220
1μF
470
nF
μF
32.00
29.00
10
Va
350
B 300
(HT+)
33.00
30.00
Rk
Vg=-4V
0
50
gm = „Durchgriff“ (Transconductance) der Röhre, = Fähigkeit, durch eine kleine Änderung einer
Spannung (Gitterspannung Vg) eine große Änderung des Anodenstroms (Ia) zu erzeugen
31.00
Rgl
Vg=-3V
Vg=-3,5V
180
0
nF
Vg=-2,5V
115
gm=µ / ra
Vg=-3,5V
Vg=-4V
4.7
Rgs
2,2
Vg=-2V
μF
34.00
Gain (dB)
Ra=
100
k
μF
35.00
4,7
Vg=-1V
Ra =220
k
Vg=-3V
36.00
Vg=-1,5V
A
µ
22
k
µ=ΔVa / ΔVgk
Vg=-2,5V
gm
Ra
Vg=-0,5V
F
Pa = 1W
47
Vg=-2V
ra
Gestaltung/Berechnung einer Kathoden-Basis Triodenstufe
Roll-Off Frequenzen Kondensator
Vg=0V
Vg=-1,5V
gm=ΔIa / ΔVgk
ra=ΔVa / ΔIa
Niedriger Wert
Roll-Off Frequenz wird höher.
= Grenzen laut Datenblatt
Va max
10μ
Ra
=
Hoher Wert
Die (-3db) Roll-Off-Frequenz des Low-Cut
(Hi-Pass) Filters wird niedriger, d.h. der
High-Pass bzw. Low-Cut setzt früher ein.
Bei 15nF geht die Absenkung der Frequenzen
z.B. bis ca. 10 Hz, bei 22nF nur bis ca. 7 Hz.
Anoden Charakteristik Diagramm
Ia
Vg=-1V
Je nach gewünschter Roll-Off Frequenz des Low-Cut-Filters (siehe Grafik der Roll-Off-Frequenzen,
unten). In Gitarrenamps ist das Absenken der Frequenzen ab 50 Hz sinnvoll.
Niedrigere Frequenzen beanspruchen unnötig Spannungsversorgung, Ausgangsübertrager und
Lautsprecher! Die Spannungsfestigkeit muss größer als die größte anzunehmende Spannungsspitze der Anodenversorgungsspannung (HT+) sein (entspricht meistens dem Peak-Wert des
Trafos). Am besten vom Typ Folienkondensator, z.B. aus Polysytrene, Polypropylene, Polycarbonat
oder Polyester, bester Klang.
Hoher Wert
Technisch
mehr Höhen werden aus Signal rausgefiltert,
d.h. wenn Amp zu dumpf, mögliche Ursache:
Wert des Gridstoppers ist zu hoch!
Vg=0V
Vg=-0,5V
Dimensionierung:
Rgs =1 /( 2 * μ * f * Cin)
f =1 / (2 * μ * Rg * Cin)
Ia
Kathoden-Lastwiderstand
Cathode resistor
Rk
100
Kathoden Bypass Kondensator
1k
10k
Cathode bypass capacitor Cbp
Zweck:
Zweck:
Zweck:
Steuergitter auf Massepotential (also positives Potential) bringen, so dass
Zum Einstellen des Arbeitspunktes der Röhre (der Biaspunkt, die negative Vorspannung am
Steuergitter). Je nach Größe von Rk wird ein entsprechender Spannungsabfall zwischen
Kathode und Masse erzeugt (URk=Rk * Ia) . Da das Steuergitter über den Gitterableitwiderstand
(Rgl, siehe links) auch auf Masse liegt, ist die Spannung am Gitter (Vg) im Bezug auf die Kathode
automatisch negativ.
Wenn ein Eingangssignal in die Schaltung einfließt (übers Steuergitter) erhöht UND (je nach
Schwingung, weil es sich ja um ein Wechselspannungssignal handelt) verringert dies den
Spannungsabfall am Kathodenwiederstand und verändert somit ständig den Arbeitspunkt der
Röhre (also die Biaseinstellung, die fest eingestellte negative Vorspannung des Steuergitters,
siehe Rk) verändern. Durch den Ck werden Wechselspannungssignale um den Widerstand
herumgeleitet und durch den Kondensator geleitet (laden diesen quasi auf ).
- Elektronen, die vom Gitter emittiert werden, bzw. am Gitter "hängen bleiben" auf Masse
"abfließen" können.
- das Steuergitter auf dem gleichen Potential wie die Kathode hängt (diese hängt auch auf
Masse) und aufgrund des Spannungsabfalles am Rk gegenüber der Kathode negativ
„vorgespannt“ wird wird (Spannung Vg am Gitter ist dann um den gleichen Wert negativ, der
an Rk abfällt).
Außerdem wird mit dem Gitter-Ableitwiderstand die Eingangsimpedanz der Stufe definiert.
Dimensionierung:
Der Widerstand wird so dimensioniert, dass bei gegebenem Anodenstrom (Ia, abhängig vom
gewählten Lastwiderstand Ra und der gewählten Versorgungsspannung HT+) die Spannung
zwischen Kathode und Masse abfällt, die am Steuergitter zur gewünschten negativen
Vorspannung führt (Berechnung, siehe rechts). Spannungsfestigkeit beachten (P=Ia2 * Rk),
meistens reichen 1/4 Watt Widerstände. Das Bypassen mit Cbp bringt viele Vorteile (siehe rechts).
Dimensionierung:
Der Wert sollte so gewählt werden, dass die daraus resultierende Eingangsimpedanz ca. 5 mal
größer ist als die Ausgangsimpedanz der vorgeschalteten Röhrenstufe, bzw. der angeschlossenen
Signalquelle (falls es sich um die erste Stufe handelt).
Als Wert wird sehr oft 1 MOhm verwendet, am besten aber so groß wie möglich wählen.
Hoher Wert
Technisch
Spannung am Steuergitter (Vg) wird negativer,
die Anodenspannung (Va) steigt, der
Ruhestrom an der Anode (Ia) wird kleiner.
Niedriger Wert
Technisch
Spannung am Steuergitter (Vg) wird positiver,
Arbeitspunkt verlagert sich in der X-Achse des
Diagramms (siehe oben) weiter nach links, die
Anodenspannung (Va) fällt, der Anodenstrom
(Ia) wird höher.
Klanglich
Klanglich
bei zu hohem Wert besteht die Gefahr der
Verzerrung des Ausgangssignals (genannt
„Cut-Off“), weil Gitter so negativ wird, dass alle
Elektronen abgestoßen werden und nicht
mehr durchs Gitter fliegen können…
bei zu niedrigem Wert Gefahr der Verzerrung
des Eingangssignals (Gitterstrom,
“GridCurrent“) weil Gitter zu positiv wird (bis
zu 0 Volt). Elektronen werden vom Gitter
angezogen anstatt weiter zur Anode zu
fliegen. Die Grenze für Vg ab der Gitterstrom
auftritt, ist bei manchen Röhren im Datenblatt
angegeben.
Weitere Nachteile bei zu niedrigem Wert:
Verlust an Headroom, d.h. nur noch leise
Eingangssignale können ohne Verzerrung
wiedergegeben werden.
Grenzwerte
Wert nicht höher wählen, als der im Datenblatt angegebene Maximalwert. (meistens "self-bias
max value" oder "self-bias max.value" genannt).
Hoher Wert
Niedriger Wert
Technisch
Technisch
Mehr Signalstrom fließt zum Steuergitter.
Weniger Signalstrom fließt zum Steuergitter,
da mehr über Masse abfließt.
Klanglich
Klanglich
Signal am Ausgang der Stufe (an Anode) wird
lauter.
Signal am Ausgang der Stufe (an Anode) wird
leiser
Hierzu vom Arbeitspunkt und vom gewählten Grenzpunkt (z.B. 0 V) jeweils eine
Gerade auf die X-Achse (Va) zeichnen und dann den Volt-Wert -Abstand (= Abstand
zwischen den Schnittpunkten mit der X-Achse) ablesen, z.B. ca. 65 (siehe BeispielDiagramm). Das dann mal 2 nehmen und zur Berechnung des RMS noch zusätzlich
mal 2 * Wurzel (2), also (65 * 2) * (2*Wurzel(2)).
Verlust an Headroom, d.h. nur noch leise
Eingangssignale können ohne Verzerrung
wiedergegeben werden.
Dimensionierung:
je nach gewünschter Bypass-Frequenz (siehe Diagramm oben).
Falls die ermittelte Verstärkung nicht ausreicht, Ra, Vg oder HT+ ändern.
Weitere Möglichkeiten der Klanggestaltung:
Ohne Ck: Weicher, mehr komprierter Sound, cremiger. Ausgangsimpedanz der Stufe steigt.
Mit Ck: Aggresiver, kantiger Sound.
7.
Bypass-Stärke (also Steilheit des Boosts) kann durch einen zusätzlichen R in Serie (unterhalb des
C3) beeinflusst werden (je höher, desto flacher der Boost). Dieser R kann auch ein Poti sein, um
die Steilheit einstellbar zu machen.
Mit einem weitere C (parallel zu CK und dem Zusatz-R) kann die Steilheit des Treble Boosts nach
einer bestimmten Frequenz nochmals steigen (eine Art Treppeneffekt nach oben).
Falls es sich bei der gestalteten Stufe um die erste Stufe handelt (also am Eingang die
Signalquelle, z.B. eine Gitarre, hängt), Ausgangsimpedanz der Signalquelle ermitteln.
Falls die Stufe an eine bereits bestehende Stufe gekoppelt werden soll,
Ausgangsimpedanz (Zout) der vorherigen Stufe berechnen:
Hoher Wert
Technisch
Niedriger Wert
Technisch
Falls die Stufe einen Cbp hat: Zout = (Ra * ra) / Ra+ra)
auch tiefere Frequenzen werden um den
Widerstand Rk herumgeleitet.
nur hohe Frequenzen werden gebypassed,
also um den Widerstand herumgeleitet
Falls die Stufe keinen Cbp hat: Zout = (Ra[ra+Rk(μ+1)] / Ra+ra +Rk * (μ+1)
Klanglich
Klanglich
Ermittlung/Berechnung von ra und µ: siehe oben (Röhrenkonstanten)
Mehr Verstärkung in allen Frequenzen -->
Eingangssignal wird neutraler am Ausgang
wiedergegeben.
Bass-Frequenzen werden
abgeschnitten,Signal am Ausgang wird
entsprechend höhenlastiger, im Extremfall
Treble Boost.
8.
Gridleak Widerstand entsprechend dimensionieren (falls möglich mindestens 5 mal
so groß wie die ermittelte Ausgangsimpedanz der vorherigen Stufe bzw. Signalquelle.
Außerdem alle restlichen Komponenten dimensionieren (z.B. Ck).